基于Wi-Fi通訊的履帶式爬樓運(yùn)載小車＊

張旭焱，胡君嵐，朱帥宇

（武漢理工大學(xué)，湖北 武漢430070）

隨著中國(guó)物流產(chǎn)業(yè)的擴(kuò)大和人們對(duì)物流運(yùn)送速度和品質(zhì)要求的提高，單一的人力物流網(wǎng)絡(luò)在滿足需求時(shí)需要消耗大量人力及其他資源，在2020年爆發(fā)“新冠肺炎”之后，也對(duì)運(yùn)載機(jī)器人提出了無(wú)接觸運(yùn)輸?shù)男乱蟆?/p>

目前，國(guó)內(nèi)外相繼研究出不同功能類型的物流運(yùn)輸機(jī)器人。美團(tuán)開放平臺(tái)的Segway配送機(jī)器人可以適應(yīng)不同復(fù)雜地形，自動(dòng)規(guī)劃路線甚至搭乘樓梯，但是目前尚不具有爬樓功能[1]；StarshipTechnologies部署的地面機(jī)器人能夠通過(guò)APP直接反饋訂購(gòu)信息，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)運(yùn)輸服務(wù)，但是該機(jī)器人的運(yùn)送范圍具有限制性[2]。

為了使各類消費(fèi)者能夠享受更加便捷、高效率的物流服務(wù)，本文設(shè)計(jì)一款基于Wi-Fi通訊的履帶式運(yùn)載小車，在滿足平地避障、與顧客進(jìn)行通信交互的功能下，通過(guò)在配送范圍內(nèi)安置“熱點(diǎn)”，利用Wi-Fi技術(shù)實(shí)現(xiàn)運(yùn)載小車更遠(yuǎn)范圍的配送；利用履帶式越障實(shí)現(xiàn)小車在平地與爬樓的運(yùn)動(dòng)，滿足無(wú)電梯公寓高樓顧客的要求，在特殊時(shí)期實(shí)現(xiàn)無(wú)接觸式配送服務(wù)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本文所設(shè)計(jì)的產(chǎn)品將Wi-Fi無(wú)線通信技術(shù)、Arduino、傳感器技術(shù)、通信技術(shù)與自動(dòng)化技術(shù)結(jié)合，得到基于Wi-Fi控制的爬樓運(yùn)載小車，通過(guò)Arduino與各傳感器模塊之間的控制反饋對(duì)小車的水平和爬樓運(yùn)動(dòng)進(jìn)行控制，完成物品的運(yùn)輸。

結(jié)合本文所設(shè)計(jì)產(chǎn)品的任務(wù)要求和應(yīng)用場(chǎng)所，通過(guò)調(diào)查綜合分析，確定小車移動(dòng)結(jié)構(gòu)、尺寸關(guān)系等基本技術(shù)參數(shù)。系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)分模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)，分為機(jī)械結(jié)構(gòu)模塊和控制系統(tǒng)模塊，兩模塊之間控制反饋關(guān)系如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)圖

機(jī)械結(jié)構(gòu)模塊采用組合創(chuàng)新技術(shù)和方法進(jìn)行研究設(shè)計(jì)，為確定機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性，繪制三維模型圖并進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真。為確定機(jī)器人運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性，結(jié)合實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)所，利用數(shù)學(xué)公式對(duì)小車尺寸進(jìn)行合理化計(jì)算和設(shè)計(jì)。

控制系統(tǒng)模塊通過(guò)分析各模塊之間的交互關(guān)系，利用電路模擬仿真軟件完成電路的搭建與仿真實(shí)驗(yàn)。通過(guò)Wi-Fi通信模塊，將Arduino主控板與blinker物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)進(jìn)行適配連接，實(shí)現(xiàn)在線對(duì)小車運(yùn)動(dòng)和其他功能的控制。

2 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)總體設(shè)計(jì)

小車機(jī)械結(jié)構(gòu)主要由主體模塊、攝像頭模塊、載物模塊、移動(dòng)模塊和爬樓模塊構(gòu)成。其中移動(dòng)模塊和爬樓模塊設(shè)計(jì)為四履帶雙擺臂履帶式。利用SolidWorks

軟件對(duì)小車的機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，如圖2所示。小車爬樓模型，如圖3所示。

圖3 小車爬樓模型圖

2.2 機(jī)械結(jié)構(gòu)分析

圖2中，Ⅰ為主體模塊，內(nèi)含控制電路、直流電機(jī)、通信設(shè)備等。直流電機(jī)提供動(dòng)力，控制電路通過(guò)ATmega328P芯片為核心控制各傳感器模塊，完成小車的運(yùn)動(dòng)。Ⅱ?yàn)檩d物模塊，用于裝載物體。Ⅲ為攝像頭模塊，用來(lái)觀察小車周圍運(yùn)行環(huán)境，及時(shí)發(fā)現(xiàn)障礙物避開以及確定樓梯位置進(jìn)行爬樓。Ⅳ為移動(dòng)模塊，由一對(duì)履帶輪組成，由主體Ⅰ中2個(gè)直流電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)后輪，提供小車在水平和爬樓過(guò)程中的動(dòng)力。Ⅴ為爬樓模塊，由雙擺臂履帶組成，擺臂通過(guò)電機(jī)提供動(dòng)力驅(qū)動(dòng)擺臂履帶的轉(zhuǎn)動(dòng)，伺服電機(jī)通過(guò)2個(gè)齒輪帶動(dòng)連接擺臂的軸，驅(qū)動(dòng)擺臂擺動(dòng)。擺臂的主要功能是向機(jī)器人提供拉力以及剛接觸臺(tái)階時(shí)向上的支持力，以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的爬升。

圖2 小車機(jī)械結(jié)構(gòu)示意圖

2.3 尺寸綜合設(shè)計(jì)

在小車爬樓過(guò)程中，為確保小車能夠成功完成爬樓動(dòng)作，并保證運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性，需要滿足以下條件。

準(zhǔn)備進(jìn)行第一階樓梯的攀爬時(shí)，調(diào)整擺臂能夠接觸臺(tái)階的邊緣[3]，如圖4所示，根據(jù)圖4可得擺臂尺寸與階梯高度的關(guān)系：

圖4 準(zhǔn)備第一階樓梯的攀爬

式（1）中：α為擺臂與地面所成夾角，°，h為每級(jí)臺(tái)階踏步高，mm；r1為擺臂履帶從動(dòng)輪O2半徑，mm。

小車成功爬越樓梯需要滿足小車重心越過(guò)臺(tái)階的外角垂直線，爬越的臨界條件是重心正好在臺(tái)階外角的垂直線上[4]，如圖5所示。設(shè)重心為G點(diǎn)，在臨界條件下滿足爬越條件，由圖5分析，有以下幾何關(guān)系：

圖5 爬越樓梯運(yùn)動(dòng)

式（2）（3）中：w為每級(jí)臺(tái)階踏步寬，mm。

在小車完全進(jìn)入樓梯后，為保證爬樓的平穩(wěn)性，需要滿足小車履帶、擺臂履帶至少能夠接觸2級(jí)臺(tái)階的邊緣，保證小車整體長(zhǎng)度能夠同時(shí)接觸3級(jí)相鄰臺(tái)階邊緣[3]，滿足式（2）（3）的長(zhǎng)度關(guān)系。

根據(jù)《民用建筑設(shè)計(jì)通則》[5]：樓梯踏步寬w不小于260mm，踏步高h(yuǎn)不大于175mm，不同樓梯類型需滿足一定的踏步高寬比。選取擺臂履帶從動(dòng)輪O2半徑r1為100mm，考慮到小車尺寸應(yīng)滿足式（1）（2）（3），LO1O2與LO2O3分別取350mm、150mm。

2.4 爬樓過(guò)程分析

當(dāng)小車檢測(cè)到前方障礙物為可翻越的樓梯時(shí)，小車進(jìn)行正向樓梯的攀越，小車借助擺臂的初始擺角（取45°），在驅(qū)動(dòng)裝置的驅(qū)動(dòng)下，小車履帶的前端先接觸到臺(tái)階的外角線上，隨著小車的移動(dòng)，小車的質(zhì)心、前臂與水平面的夾角都在改變。隨著小車質(zhì)心移動(dòng)，伺服電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，小車的前臂開始進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，調(diào)整前臂夾角，使得小車主要依靠履帶爬行。隨著小車重心不斷升高，前臂不斷順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，調(diào)整夾角，當(dāng)小車質(zhì)心越過(guò)樓梯外角線時(shí)，此時(shí)小車前臂已擺至和車身形成一條直線，車身完全貼合住樓梯外角線，隨著履帶繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，小車將沿著樓梯外角線繼續(xù)爬行。

此時(shí)小車進(jìn)入整體爬樓階段，小車完全進(jìn)入樓梯并繼續(xù)爬行，此過(guò)程小車前臂與車身間保持相對(duì)靜止，小車質(zhì)心沿著樓梯外角線作直線運(yùn)動(dòng)，此階段車身震動(dòng)較小，小車運(yùn)行相對(duì)平穩(wěn)。

當(dāng)小車爬至最后一節(jié)樓梯，并檢測(cè)到爬樓過(guò)程即將結(jié)束時(shí)，小車進(jìn)入爬樓結(jié)束前狀態(tài)調(diào)整階段，當(dāng)小車前臂越過(guò)最后一節(jié)臺(tái)階，伺服電機(jī)調(diào)整前臂旋轉(zhuǎn)至觸地狀態(tài)，并保持前臂前端能始終與地面接觸，隨著小車的質(zhì)心完全越過(guò)最后一節(jié)樓梯，小車?yán)^續(xù)前進(jìn)，前臂擺角逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)直至與車身形成一條直線，小車攀越樓梯完成，小車恢復(fù)常態(tài)。

3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

控制部分主要由Arduino單片機(jī)、Wi-Fi通信模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、超聲波測(cè)距模塊、攝像頭模塊等部分組成，利用Wi-Fi無(wú)線通信技術(shù)，用戶可以通過(guò)手機(jī)APP軟件與小車的Wi-Fi模塊進(jìn)行通信，以此實(shí)現(xiàn)對(duì)小車的控制與反饋，控制流程如圖6所示。

圖6 小車控制流程圖

3.2 模塊設(shè)計(jì)

3.2.1 電源模塊

選用12V鉛蓄電池作為總電源為小車的電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊進(jìn)行供電，同時(shí)使用降壓模塊將電壓降為5V為攝像頭模塊等供電；使用7.2V鋰電池并使用降壓模塊將7.2V電壓降為5V為Arduino單片機(jī)與Wi-Fi模塊進(jìn)行單獨(dú)供電，以保證小車主控芯片和Wi-Fi通信模塊電壓穩(wěn)定。

3.2.2 主控板

控制系統(tǒng)的核心控制板為ArduinoUNOR3單片機(jī)，它基于ATmega328P芯片，有28個(gè)引腳，其中有14個(gè)數(shù)字I/O口，6個(gè)模擬輸入口，數(shù)字I/O口中有6個(gè)支持PWM輸出。主控芯片通過(guò)硬件串口與Wi-Fi模塊進(jìn)行通信，將控制指令傳遞至Arduino主控芯片，經(jīng)過(guò)處理后通過(guò)Arduino單片機(jī)I/O口的輸出高低電平，將脈沖信號(hào)作為控制信號(hào)傳遞至電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的控制，進(jìn)而控制小車的整體運(yùn)動(dòng)。

3.2.3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

小車的運(yùn)動(dòng)需要水平履帶的2個(gè)直流電機(jī)、前臂履帶的2個(gè)直流電機(jī)和前臂擺動(dòng)的1個(gè)伺服電機(jī)。直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊選擇L298N電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，并由12V鉛蓄電池單獨(dú)供電，1個(gè)L298N驅(qū)動(dòng)模塊可以同時(shí)驅(qū)動(dòng)2個(gè)直流電機(jī)，其ENA、ENB使能端連接在Arduino單片機(jī)的PIN5和PIN6可PWM調(diào)速引腳，IN1、IN2、IN3、IN4這4個(gè)信號(hào)輸入端連接在其他4個(gè)數(shù)字I/O引腳上，來(lái)控制2個(gè)通道的直流電機(jī)運(yùn)行。伺服電機(jī)模塊由12V電源供電，將伺服電機(jī)控制端連接在Arduino的一個(gè)數(shù)字I/O口，通過(guò)控制Arduino向端口發(fā)送脈沖信號(hào)控制伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度。

3.2.4 Wi-Fi通信模塊

采用ArduinoUNOWi-Fi控制板，它是基于ATmega328和ESP8266Wi-Fi模組的Arduino控制板，具有Wi-Fi通信的功能，在局域網(wǎng)中可以與Blinker手機(jī)APP通信，實(shí)現(xiàn)手機(jī)APP與主控板的信息傳遞。將ArduinoUNOWi-Fi控制板的硬件串口與Arduino的硬件串口相連，實(shí)現(xiàn)2塊控制板之間的通信與控制信號(hào)傳遞。

超聲波傳感器的接收與發(fā)送引腳連接在Arduino UNOWi-Fi控制板的引腳上，通過(guò)控制板引腳輸出連續(xù)的一段高電平作為激發(fā)信號(hào)，觸發(fā)超聲波傳感器工作，并監(jiān)測(cè)接收引腳的電平高低與持續(xù)時(shí)間，實(shí)現(xiàn)對(duì)小車與障礙物之間距離的監(jiān)測(cè)。

3.2.5 攝像頭模塊

攝像頭模塊選用ESP32-CAM模塊，采用5V電源供電，保證攝像頭模塊的穩(wěn)定運(yùn)行。攝像頭模塊直接通過(guò)局域網(wǎng)將拍攝到的視頻信息傳遞到手機(jī)APP上，實(shí)現(xiàn)對(duì)小車所處場(chǎng)景的實(shí)時(shí)監(jiān)控。

3.2.6 超聲傳感模塊

小車借助超聲波傳感器對(duì)外界環(huán)境中的障礙物進(jìn)行探測(cè)，及時(shí)對(duì)小車速度及狀態(tài)進(jìn)行自動(dòng)調(diào)整，避免撞到障礙物。超聲波測(cè)距模塊選用HC-SR04，傳感器的Trig、Echo端連接在ArduinoUNOWi-Fi控制板的PIN2和PIN3引腳，由單片機(jī)發(fā)出高電平信號(hào)觸發(fā)測(cè)距，通過(guò)測(cè)量超聲波傳感器接收的信號(hào)與發(fā)射信號(hào)的時(shí)間差t0來(lái)計(jì)算前方障礙物的距離。計(jì)算公式為：

式（4）中：v為聲音在空氣中傳播速度，常溫下取340m/s；t0為傳感器發(fā)射與接收到信號(hào)的時(shí)間差。

4 結(jié)論

本文對(duì)于物流運(yùn)載小車的爬樓控制具有研究意義，對(duì)于物流行業(yè)，消費(fèi)者的結(jié)構(gòu)復(fù)雜多樣，本設(shè)計(jì)結(jié)合Wi-Fi技術(shù)、采用履帶式爬樓結(jié)構(gòu)研究運(yùn)載小車，采用組合創(chuàng)新的方法完成小車的設(shè)計(jì)，在目前主流物流機(jī)器人的基礎(chǔ)上增加了爬樓功能，更具靈活性，能夠滿足消費(fèi)者的多種需求。因此，本文所設(shè)計(jì)的基于Wi-Fi通訊的履帶式運(yùn)載小車具有廣闊的應(yīng)用前景。